Novosibirsk State University Термометрия Температура Физическая

Novosibirsk State University

Термометрия

Температура Физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Термодинамической равновесие: состояние, в которое приходит самопроизвольно система в условиях изоляции от окружающей среды. (Прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии – диффузия, теплопроводность, хим. Реакции и т. д. . ) В равновесных условиях темп. пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Т. определяет: распределение частиц по уровням энергии, по скоростям, степень ионизации вещества, спектральную плотность излучения, полную объёмную плотность излучения.

Температурные шкалы Это системы сопоставимых значений температуры.

Особенности температурных шкал Шкала Фаренгейта была введена в 1714 г. , опираясь на температуру таяния льда и температуру человеческого тела. Этот интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка располагалась ниже точки таяния льда на 32 F. В то время это была наиболее низкая из известных температур и получалась она смешиванием нашатыря, воды и льда. Температура тела человека по этой шкале оказалась равной 96 °F, а точка кипения воды в шкале Фаренгейта равнялась 212 °F. Несмотря на всю архаичность такого определения температурной шкалы, ею пользуются во всем западном полушарии и в первую очередь в США. В некоторых странах в настоящее время принята шкала Реомюра, введенная в 1730 г. В качестве опорных точек выбирается температура таяния льда (0°R) и точка кипения воды, которой приписывается температура 80 °R. Такой выбор определяется тем, что выбранная Реомюром смесь для наполнения термометра, состоящая из смеси спирта с водой, между точками замерзания и кипения воды расширяется на 8%. Размер градуса в шкале Реомюра можно воспроизвести изменением объема водно-спиртовой смеси на 0, 001 часть первоначального объема. В шкале Кельвина этот коэффициент объемного расширения соответствует приблизительно 1, 25× 10 -3 K-1.

Реперные точки. Эталоны. 1 – точка кипения воды в закрытом кипятильнике 2 – точка таяния льда 3 – тройная точка воды 4 – точка кипения серы 5 – точка кипения кислорода 6 – точка затвердевания серебра (золота)

Реперные точки. Только при условии хорошей сходимости результатов измерений реперная точка вносится в список точек Международной практической температурной шкалы МПТШ. Последний раз шкала переутверждалась в 1990 г. , и, соответственно, шкала называется МТШ-90. Реперные точки шкалы МТШ-90 подразделяются на определяющие и вторичные. Определяющие реперные точки - это наиболее точно измеренные относительно тройной точки воды температуры, для которых результаты измерений в различных странах хорошо совпадают между собой. Список определяющих реперных точек шкалы МТШ-90 дан в следующей таблице. Вторичные реперные точки температурной шкалы охватывают более широкий диапазон температур. Самая высокая температура реперной точки - температура затвердевания вольфрама, равная 3660 К. Всего в шкале вторичных реперных точек содержится 27 значений, в основном температуры затвердевания чистых металлов. Результаты международных сличений температур этих реперных точек дали большее в сравнении с определяющими точками значения погрешностей. В основном причины расхождений заключаются в разной степени очистки веществ, которые используются в термостатах. Известно, что сверхчистые вещества имеют в ряде случаев удивительные свойства, отличные от свойств веществ, очищенных рутинными методами. Например, сверхчистое железо не окисляется, сверхчистый алюминий не покрывается окисной пленкой и блестит, как ртуть и т. д. Поскольку в разных странах чистые металлы получают из разного сырья, расхождения в температурах плавления и затвердевания многих металлов вполне объяснимы.

Определяющие реперные точки шкалы МТШ-90 Реперная точка Т, К t°, C. Погрешнос ть, К Тройная точка равновесного водорода 13, 81 - 259, 34 0, 01 Точка кипения равновесного водорода при давлении 3330, 6 Па 17, 042 -256, 108 0, 01 Точка кипения равновесного водорода 20, 28 - 252, 87 0, 01 Точка кипения неона 27, 102 - 246, 048 0, 01 Тройная точка кислорода 54, 361 -218, 789 0, 01 Точка кипения кислорода 90, 188 - 182, 962 0, 01 Тройная точка воды 273, 16 0, 01 Точно по определению Точка кипения воды 373, 15 100 0, 005 Точка затвердевания цинка 692, 73 419, 58 0, 003 Точка затвердевания серебра 1235, 08 961, 93 0, 2 Точка затвердевания золота 1337, 58 1064, 43 0, 2

Фазовые переходы P=760 мм. рт. ст.

Начала термодинамики Первое начало термодинамики: закон сохранения энергии для тепловых процессов. Изменение внутренней энергии газа равно количеству тепла, переданного газу, за исключением работы, совершенной газом. Второе начало термодинамики: невозможность создания вечного двигателя второго рода. При постоянной температуре нельзя извлечь тепло из его источника и превратить его в работу, не производя больше никаких изменений в заданной системе или окружающем пространстве. Идеальная обратимая тепловая машина. Цикл Карно. Нагреватель Qн Тепловая машина Qх Холодильник А На P-V диаграмме цикл состоит из 2 изотерм и 2 адиабат

Термодинамическая температурная шкала Основана на втором начале термодинамики.

Тройная точка воды Поскольку для начала отсчета термодинамической температуры существует абсолютный нуль, для установления единицы этой величины нужна только одна реперная точка. Такой точкой является тройная точка воды, т. е. такое состояние чистой воды, когда лед, жидкая вода и водяной пар находятся в тепловом равновесии. В условиях вакуума над тающим льдом устанавливается равновесное давление водяного пара, равное Р = 611 Па (4, 58 Торр). Этому состоянию приписано значение термодинамической температуры Т = 273, 16 К точно. Точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении (р = 101325 Па = 760 Торр = 1 атм. ) расположена ниже тройной точки воды на 0, 00993 К. Единицей фундаментальной физической величины, термодинамической температуры, обозначаемой символом Т, является кельвин, обозначение К, который по определению равен 1/273, 16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Таким образом, единица температуры оказывается в зависимости от качества производства тройной точки воды. Исследования последних лет показали, что на стабильность температуры тройной точки воды влияет состав стекла ампулы эталона, степень очистки воды и изотопный состав воды.

Эталон тройной точки воды Сосуд, воспроизводящий тройную точку воды, аналогичен сосуду Дьюара, хорошо известному по применению в криогенной технике и в бытовых термосах. Отличия состоят в том, что стенки сосуда тройной точки воды не покрываются металлическим отражающим слоем, а между стенками сосуда налита примерно до половины объема чистая вода. При изготовлении тройной точки воду тщательно очищают многократной перегонкой и пропусканием через ионно-обменные смолы - поглотители примесей. Наполнив сосуд водой, ее вымораживают, а воздух между стенками тщательно откачивают. После откачки сосуд отпаивается. Для того чтобы воспроизвести температуру тройной точки воды, стеклянный сосуд, изображенный на следующем рис. , замораживают, например в холодильнике. Затем во внутреннюю часть сосуда помещают какой-либо нагретый предмет, чтобы лед между стенками начал таять. Это означает, что между стенками устанавливаются параметры, соответствующие одновременному наличию воды и льда при давлении насыщенных водяных паров, т. е. будет воспроизведена температура тройной точки воды.

Эталон тройной точки воды I – Изготовление эталона II – Использование эталона В итоге эталонные комплексы, воспроизводящие и передающие размер основной единицы термодинамической температуры системы СИ, представляют собой набор тройных точек воды, термометр (газовый), откалиброванный по тройной точке воды, и набор термостатов - реперных точек, воспроизводящих определяющие и вторичные реперные точки шкалы МПТШ-90. На практике для точных измерений используются платиновые термометры сопротивления или платина - платинородиевые термопары, которые градуируются в конечном счете по реперным точкам.

Температурные шкалы Цельсия -17, 7 0 Фаренгейта 0 +32 Реомюра 0 Кельвина 0 +273, 15 Ранкина 0 +492, 3 Формулы перехода между шкалами +100 +212 +80 +373, 15

ТЕПЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Принцип действия основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена), входной величиной которых является температура. Температура как параметр не поддается непосредственному измерению, но она непосредственно связана с внутренней энергией тел, и через нее с физическими свойствами. Физические явления: 1. Тепловое расширение газов (водород, гелий, азот, воздух ∆Τ=1÷ 10 К); жидкостей (∆Τ=200÷ 1200 К — ртуть); твердых тел (∆Τ=200÷ 650 К). 2. Термо -ЭДС. 3. Зависимость шумового напряжения UШ на резисторе от температуры (∆Τ=4÷ 1800 К). 4. Изменение модуля упругости пьезоэлектриков от температуры (∆Τ=10÷ 500 К). 5. Зависимость сопротивления от температуры.

Термоэлектрические преобразовательные элементы. Термопары Принцип действия основан на использовании термоэлектрического эффекта: возникновение термо -ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников или полупроводников, называемых термоэлектродами, если температура соответствующих частей Т 1 и Т 2 разные. Открытие 1823 г. (Зеебек). Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами причем температуру одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников. Эта контактная разность потенциалов обусловлена различием уровней Ферми у двух разнородных металлов. Чем выше температура, тем большее число электронов находятся на более высоком энергетическом уровне, чем уровень Ферми. Из-за этого контактная разница потенциалов становится зависящей от температуры. Уровень Ферми — энергетический уровень, который при абсолютном нуле температур разделяет полностью заполненные квантовые состояния от полностью незанятых состояний

Напряжение термопары Часто используемый сплавы

Термоэлектричество Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. В термопаре этот эффект является нежелательным, т. к. вносит погрешность.

Термоэлектричество

Термоэлектричество Summary 1. Явление Томпсона - электроны диффундируют от горячего конца к холодному, следовательно на концах возникает разность потенциалов. 2. Явление Зебека - в месте контакта разнородных проводников - контактная разность потенциалов, обусловленная различной концентрацией носителей зарядов. Прибор для измерения термо- ЭДС может быть включен как между свободными концами, так и в разрыв одного из термоэлектродов. Материалы: Платина + платинородий ∆Т=0÷ 1200 С Медь + медноникель железо + медноникель хромель + медноникель ∆Т=-200÷+400 С

Терморезисторы Принцип действия основан на зависимости сопротивления от температуры Например, в диапазоне 0– 6300 C сопр. хорошо аппроксимируется полиномом второй степени: где Rt и R 0 – сопротивление при температуре t и 00 С; А и В – Табличные коэффициенты (В<0). Прецизионные ТСП довольно хрупкие, боятся ударов, вибрации, так как это может привести к механическим напряжениям в чувствительном элементе, замыканию его витков или разрушению оболочки.

Терморезисторы металлические Миниатюрные вжигаемые пленки 1 -2 мм в керамическое основание, ширина 0, 10, 2 мм; длина 5 -10 мм. Сопротивление растёт при увеличении температуры. Платина ∆Т=-260÷+1100 С Медь ∆Т=-200÷-50 С Вольфрам, никель ∆Т=180÷+1200 С

Терморезисторы полупроводниковые Характеристики: меньшие габариты, большой температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление падает при увеличении температуры. Высокая динамическая реакция (несколько микросек). Недостаток: нелинейность R(t), значительный разброс параметров. ∆t=-80÷+150 С. Ge: до +200 С Si: до +500 С

Измерительные цепи строят на основе уравновешенных мостов или используют преобразование изменения сопротивления в изменение напряжения (в цифровых схемах).

Электротермометр Основой прибора является терморезистор Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Так, например, платиновые терморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0, 001°С.

Схема термометра В диагональ моста включен микроамперметр, проградуированный в градусах Цельсия (операционный усилитель с выходом на схему индикации).

Типы датчиков термометра Каждый датчик термометра состоит из терморезистора , оправы, соединительных проводов и разъема. Терморезистор - шарик диаметром 0. 6÷ 0. 8 мм из полупроводникового материала, покрытый стеклянной оболочкой. Типы датчиков: – – 1) подмышечный датчик 2) кожный датчик 3) ректальный датчик 4) стержневой датчик - для кратковременного замера температуры в различных точках кожного покрова совместно с внутримышечной иглой для измерения температуры внутри тканей тела. – 5) желудочный датчик – 6) сердечный датчик - для измерения температуры в венах, артериях и полости сердца

Термометры излучения

Оптическая схема термометра ИКизлучения, согласующая тепловой детектор с объектом измерения

Типы детекторов пирометра Упрощённая зависимость спектральной чувствительности S( ) квантового и теплового детекторов.

Радиационно-оптическая термометрия Закон Кирхгофа

Абсолютно чёрное тело Сферическое Цилиндрическое Коническое Инверсное коническое

Законы излучения абсолютно черного тела Стефана-Больцмана w- мощность излучения с единицы поверхности T – абсолютная температура, кельвины. с =5, 66697 10 -6 ватт/м 2 K-4 постоянная. Вина - положение максимума в спектре излучения

Радиационно – оптическая термометрия осуществляется в дальнем ИК- диапазоне 5 - 15 мкм путём регистрации мощности (потока) теплового излучения. Пример Температура поверхности Солнца 6000 K. Максимум чувствительности глаза по длинам волн (цвету) излучения совпадает с максимумом в спектре излучения Солнца =0, 55 мкм. Из закона Вина легко вычисляется длина волны излучения любого тела (предмета или человека) : 0, 55 мкм 6000 K=const= x мкм 300 K X = 20 0, 55~ 11 мкм. Поток зависит от четвёртой степени температуры и даже небольшой перепад в температуре приводит к заметному перепаду в мощности, что и позволяет визуализировать (и различать) предметы и поверхности и строить тепловые топограммы.

Интенсивность излучения как функция длины волны и температуры (Закон Планка) Мощность w – интеграл под кривыми. Пунктирная линия проходит через пики спектральных кривых.

Физические принципы работы ПЗС-матрицы Приборы с зарядовой связью (ПЗС) относятся к классу твердотельных полупроводниковых приемников Упрощенно прибор с зарядовой связью можно рассматривать как матрицу близко расположенных МДП (металл-диэлектрикполупроводник) -конденсаторов. Электрический сигнал в них представлен не током или напряжением, а зарядом. При соответствующей последовательности тактовых импульсов напряжения на электродах МДП-конденсаторов зарядовые пакеты можно переносить между соседними элементами прибора. Поэтому такие приборы и названы приборами с переносом заряда или с зарядовой связью.

Структура одного элемента, линейного трехфазного ПЗС в режиме накопления. Структура состоит из слоя полупроводника (кремния) р-типа (обеднённый электронами – дырочная проводимость) (подложка), изолирующего слоя (двуокиси кремния) и набора пластин-электродов. Один из электродов смещен более положительно, чем остальные два, и именно под ним в потенциальной яме происходит накопление заряда в процессе облучения. Полупроводник р-типа, получают добавлением (легирование) к кристаллу кремния акцепторных примесей, например, атомов бора. Акцепторная примесь создает в кристалле полупроводника свободные положительно заряженные носители — дырки. Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда: свободных электронов там очень мало. Если теперь подать небольшой положительный потенциал на один из электродов ячейки трехфазного ПЗС, а два других электрода оставить под нулевым потенциалом относительно подложки, то под положительно смещенным электродом образуется область обедненная основными носителями — дырками. Они будут оттеснены вглубь кристалла. На языке энергетических диаграмм это означает, что под электродом формируется потенциальная яма с n-типом проводимости.

В основе работы ПЗС лежит явление внутреннего фотоэффекта. Когда, в кремнии поглощается фотон, то генерируется пара носителей заряда — электрон и дырка. Электростатическое поле в области элемента (пиксела) “растаскивает” эту пару, вытесняя дырку в глубь кремния. Неосновные носители заряда, электроны, будут накапливаться в потенциальной яме под электродом, к которому подведен положительный потенциал. Здесь они могут храниться достаточно длительное время, поскольку дырок в обедненной области нет и электроны не рекомбинируют. Носители, сгенерированные за пределами обедненной области, медленно движутся — диффундируют и, обычно, рекомбинируют с решеткой прежде, чем попадут под действие градиента поля обедненной области. Носители, сгенерированные вблизи обедненной области, могут диффундировать в стороны и могут попасть под соседний электрод. ( В красном и инфракрасном диапазонах длин волн ПЗС имеют разрешение хуже, чем в видимом диапазоне, так красные фотоны проникают глубже в кристалл кремния и зарядовый пакет размывается. )

Перенос заряда Заряд, накопленный под одним электродом (пикселом), в любой момент может быть перенесен под соседний электрод, если его потенциал будет увеличен, в то время как потенциал первого электрода, будет уменьшен. Перенос в трехфазном ПЗС можно выполнить в одном из двух направлений (влево или вправо, по рисункам). Все зарядовые пакеты линейки пикселов будут переноситься в ту же сторону одновременно. Двумерный массив (матрицу) пикселов получают с помощью стоп-каналов, разделяющих электродную структуру ПЗС на столбцы. Стоп каналы — это узкие области, формируемые специальными технологическими приемами в приповерхностной области, которые препятствуют растеканию заряда под соседние столбцы.

Модель переноса заряда между двумя элементами ПЗС Если на электрод Б подать большее положительное напряжение, чем на электрод A, то заряд из потенциальной ямы под A перетекает в потенциальную яму под электродом Б.

Модель переноса заряда вдоль линейки элементов ПЗС

Классификация тепловизоров по типу фотоприёмников Выделяются матричные и сканирующие тепловизоры. Чаще используются матричные тепловизоры. В матричных тепловизорах в качестве одного элемента (пиксела) применяются следующие фотоприёмники 1. ПЗС – матрицы. На основе узкозонных полупроводников Cdx Hg 1 -x Te и In As 2. Фотодиоды. На основе узкозонных полупроводников 3. Фотосопротивление. На основе узкозонных полупроводников 4. Болометры (термосопротивление), включенные по мостовой схеме. 5. Пироприёмники. Li Nb O 3 (ниобат лития) Большинство из них требуют специального охлаждения до температур порядка 77 K. ( За исключением пироприёмников. )

Устройство тепловизора Строение фотонного приёмника.

Фоточувствительная матрица регистрирует собственное излучения кожных покровов.

Блок-схема тепловизионной камеры. 1 - объектив, 2 - устройство калибровки, 3 - холодная диафрагма, 4 - матричное ФПУ, 5 вакуумный криостат с просветленным окном, 6 генератор управляющих импульсных и постоянных напряжений, 7 - усилитель с дифференциальным выходом, 8 измеритель температуры ФПУ и автомат включения напряжения смещения подложки In. As, 9, 14 блоки управления и синхронизации, 10 - АЦП, 11 - сумматор, 12 диспетчер памяти, 13, 16 - банки памяти, 15 - блок связи с персональным компьютером, 17 персональный компьютер

Тепловизионная камера Состав тепловизионной камеры : германиевый объектив (диаметр 26 мм, фокусное расстояние 20, 5 мм; детектирующая гибридная микросхема DIMS In. As 128 x 128; узел калибровки; заливной азотный криостат "К 02"; электронная плата управления и обработки сигналов с питанием от компьютера; штатив стандартный типа "TH 650".

Общий вид тепловизионной камеры в сборе 1 - отсек криостата с охлаждаемой фокальной матрицей, 2 - отсек объектива и узла калибровки, 3 отсек электроники, 4 горловина для заливки жидкого азота, 5 штатив, 6 расположение разъема под стандартный высокоскоростной кабель USB 2. 0 A/B Cable (DUB-C 5 AB)

Тепловизор "Свит" обладает рекордной по сравнению с классическими медицинскими тепловизорами температурной чувствительностью: СКО (среднеквадратичное отклонение) шума в режиме реального функционирования прибора на большинстве элементов матрицы соответствует температуре около 0, 025 °С. Высокое температурное разрешение особенно важно при использовании прибора в медицине, поскольку позволяет регистрировать важные с диагностической точки зрения слабо контрастные участки термограмм. Тепловизор с температурным разрешением в 0, 1 °С приводит к размытию слабоконтрастных очагов на термограммах, и элементы тонкой структуры (сосудистый рисунок, мелкоочаговая гипер- и гипотермия) становятся невидимыми, превращаясь в крупные пятна. При этом повышенное пространственное разрешение таких тепловизионных камер (256 х256 элементов в кадре) является просто излишним.

При помощи термографии выявляются: Воспалительные, дистрофические и неопластические (опухолевые) процессы в тканях и внутренних органах. (Состояние внутренних органов проявляется в свечении зон Захарьина – Геда. ) Функциональное состояние микроциркуляции крови, исследуются сосудистые реакции. Патологии кровообращения и проводимости нервных стволов. Патологии и особенности перспирации. Системные интоксикации бытового и производственного характера. Инфекционные и паразитарные заболевания. Это уникальные диагностические методики (благодаря термографии), позволяющие выявить патологические процессы не только в момент их манифестации, но и в случае их скрытого течения. Преимущества этого метода заключается прежде всего в том, что термографическая аппаратура не оказывает никакого воздействия на организм, она лишь воспринимает инфракрасное излучение с поверхности тела человека и преобразует его в видеоизображение ( термографическое изображение ).